淺談氫內(nèi)燃機異常燃燒中的早燃

袁珂佳

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

淺談氫內(nèi)燃機異常燃燒中的早燃

袁珂佳

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

隨著汽車保有量的不斷增加，發(fā)動機的可替代燃料成為人們研究的熱點。氫能因其自身的優(yōu)點被認為是最有前途的汽車燃料替代能源之一。進氣道噴射式氫內(nèi)燃機未能大面積推廣使用的主要原因是氫內(nèi)燃機的早燃、回火和敲缸等異常燃燒問題。找出早燃產(chǎn)生的原因和影響因素，對早燃問題進行探索性的研究。

進氣道噴射式；氫內(nèi)燃機；異常燃燒；早燃

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-162-03

引言

氫氣作為汽車燃料的使用主要有兩種形式：一是通過氫的離子化轉(zhuǎn)化成電能，通過燃料電池實現(xiàn)；二是通過氫的燃燒從化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，由內(nèi)燃機實現(xiàn)。在氫內(nèi)燃機中，氫空氣混合氣主要通過缸內(nèi)直噴和進氣道噴射兩種方式形成，缸內(nèi)直噴式氫內(nèi)燃機能夠避免回火，但其對噴氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求較高；進氣道噴射式氫內(nèi)燃機對噴氫系統(tǒng)要求不高，混合氣的形成和燃燒比較容易組織，混合氣形成質(zhì)量高[1]。但進氣道噴射式氫內(nèi)燃機存在早燃等異常燃燒問題。

1 氫氣的理化性質(zhì)及其作為燃料的特點

1.1 氫氣的理化性質(zhì)

表1 氫氣的理化性質(zhì)

氫氣密度非常小，只有空氣的1/14，是目前世界上公認的最輕的氣體。氫元素廣泛存在于自然界，氫的來源比較廣，屬于可再生能源。氫在常溫常壓下比較穩(wěn)定，但在空氣中與空氣混合形成的混合物遇到明火或高溫易爆炸。

1.2 氫氣作為內(nèi)燃機燃料的特點

氫氣是清潔可再生的能源，作為內(nèi)燃機的燃料，排放物中不含CH、CO和碳的顆粒物，解決了汽車排放物污染環(huán)境的問題；氫氣的獲取方法有多種，通過電解水的方法即可獲取，解決了能源危機。氫氣作為內(nèi)燃機的燃料也有不利于內(nèi)燃機工作的部分特性，比如點火能量小、密度小等。氫氣作為內(nèi)燃機燃料的特性如下：

（1）燃燒產(chǎn)物是水和少量的氮氧化物，氮氧化物的處理較容易；

（2）著火界限較寬，可燃范圍廣，可進行稀燃；

（3）擴散性好，與空氣混合得更加充分，易于燃燒；

（4）點火能量較小，不易發(fā)生失火，但易被熱表面和高溫廢氣提前點燃；

（5）氫空氣混合氣的能量密度小，輸出功率會降低[2]。

2 氫內(nèi)燃機的異常燃燒

國內(nèi)外研究人員在氫內(nèi)燃機異常燃燒方面已經(jīng)進行了一系列研究，并取得的了一定的成果。由于多方面因素，氫內(nèi)燃機存在早燃、回火和爆震（俗稱敲缸）三種異常燃燒，有時三者可以互相轉(zhuǎn)化和促進，比如早燃的不斷提前最終導(dǎo)致回火的發(fā)生，爆震時過高的壓力升高率容易產(chǎn)生缸內(nèi)熾熱點使早燃和回火發(fā)生[3]。

2.1 早燃

早燃是指在火花塞點火以前，混合氣被一些點火源提前點燃而開始燃燒的現(xiàn)象。點火源主要有兩類：一類是高溫?zé)狳c，如火花塞電極、排氣門、燃燒室內(nèi)和活塞表面的沉積物、潤滑油分解的碳粒、隨空氣進入氣缸的雜質(zhì)等；另一類是后燃混合氣和高溫廢氣，后燃混合氣指氣缸內(nèi)殘余混合氣的后燃，高溫廢氣是上一循環(huán)殘余在狹小縫隙中的高溫氣體。早燃的發(fā)生具有偶然性和非連續(xù)性，且不可控。

2.2 回火

回火是指在氫內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時火焰?zhèn)鞑サ竭M氣管內(nèi)引起的燃燒現(xiàn)象。根據(jù)回火產(chǎn)生時刻的不同可將其分為兩種，進氣門剛開啟時產(chǎn)生的回火主要是由高溫廢氣、后燃混合氣和高溫?zé)狳c引起的；進氣門快關(guān)閉時的回火主要是由早燃的不斷提前引起的。回火會使氫內(nèi)燃機噪音增大，循環(huán)變動增大，嚴(yán)重時內(nèi)燃機會停止運轉(zhuǎn)。

2.3 爆震

爆震是指點火后離火花塞較遠處的可燃混合氣在火焰前鋒面到達之前的自燃現(xiàn)象。爆震產(chǎn)生的原因是離火花塞較遠處的可燃混合氣的自燃導(dǎo)致缸內(nèi)壓力急劇升高。爆震會使氫內(nèi)燃機的工作不穩(wěn)定，功率下降，嚴(yán)重時會使火花塞活塞等部件損壞。

3 影響氫內(nèi)燃機早燃的因素

氫內(nèi)燃機出現(xiàn)輕微的早燃現(xiàn)象時，會出現(xiàn)噪聲和振動[4]；早燃現(xiàn)象嚴(yán)重時，會影響發(fā)動機的正常工作，造成零件因承受額外的沖擊負荷而過早損壞。早燃的發(fā)生受壓縮比、排氣背壓、噴氫策略等多種因素的影響。

3.1 壓縮比對早燃的影響

氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比稱為壓縮比。隨著壓縮比的增加，可燃混合氣在壓縮過程中的溫度也會不斷增加，致使缸內(nèi)熾熱表面的熱量不易散去，并保持較高的溫度，氫空氣混合氣進入缸內(nèi)易被熾熱表面提前點燃，發(fā)生早燃。壓縮比的增加使早燃發(fā)生的機率也相應(yīng)地增大。

3.2 混合氣溫度對早燃影響

氫空氣混合氣的溫度對早燃也有一定的影響，進入氣缸的氫空氣混合氣的溫度越高，越易被高溫廢氣或缸內(nèi)熾熱的表面在火花塞未點火之前提前點燃。因氫氣所需點火能量較小，混合氣的溫度越高，能量越大，越易被點燃，因此早燃發(fā)生的機率也就越大。

3.3 進排氣配氣相位對早燃的影響

內(nèi)燃機從進氣門開啟到排氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，出現(xiàn)進排氣門同時開啟的狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為氣門疊開。低速大負荷工況下，進排氣門的重疊角度影響缸內(nèi)熱負荷和燃燒室的壁面溫度[5]。進排氣門的重疊角度較小時，掃氣效應(yīng)不明顯，進排氣門的重疊角度增大有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加進入氣缸的新鮮沖量，有利于降低缸內(nèi)熱負荷和燃燒室的壁面溫度。隨著進排氣門的重疊角度增大，早燃發(fā)生的機率降低。但一般情況下進排氣門的重疊角度不宜過大，不然會出現(xiàn)部分氣體倒流的現(xiàn)象，影響氫內(nèi)燃機的正常燃燒。

3.4 火花塞對早燃的影響

火花塞是引起早燃的熾熱表面之一?；鸹ㄈ挥谌紵覂?nèi)，在壓縮做工沖程會吸收高溫混合氣燃燒時產(chǎn)生的熱量，成為熾熱表面。高溫條件下部分潤滑油會揮發(fā)附著在火花塞上形成積碳，熱量不易散失，易成為熾熱表面。火花塞材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不同影響火花塞的導(dǎo)熱能力，導(dǎo)熱能力越差，越易引起早燃。

4 控制早燃發(fā)生的措施

4.1 EGR

廢氣再循環(huán)簡稱EGR，燃燒后廢氣的一部分與新鮮充量一同進入燃燒室，再循環(huán)的廢氣吸收缸內(nèi)的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力，延緩燃燒過程，降低早燃發(fā)生的機率。EGR的廢氣量需根據(jù)發(fā)動機的不同工況進行調(diào)整以保證發(fā)動機正常的動力輸出。

4.2 進氣歧管噴水

將水以高壓水霧的方式噴入進氣歧管中，高壓水霧遇到高溫將汽化蒸發(fā)帶走進氣歧管中的熱量，經(jīng)由高壓水霧冷卻，混合氣的溫度將會降低、密度會增大。進氣歧管噴水的方法降低了早燃發(fā)生的機率。進氣道噴射液氫和進氣道噴射冷空氣與進氣歧管噴水的原理相同，均用來降低進入氣缸的混合氣的溫度。

4.3 采用可變進排氣配氣相位

可變配氣相位能夠改變掃氣效應(yīng)，排出殘余廢氣，改變進入氣缸的新鮮沖量。在不同工況下可通過改變配氣相位以保證足夠的掃氣和新鮮沖量的進入，對燃燒室內(nèi)汽缸蓋、排氣門、活塞頂?shù)雀邷夭考M行冷卻。合適的配氣相位能夠降低早燃發(fā)生的機率。

4.4 選用冷型火花塞

熱型火花塞絕緣體裙部長，受熱面積大，傳熱距離長，散熱困難，容易形成熾熱表面。相反冷型火花塞外部絕緣體較短，熱能傳送至冷卻系統(tǒng)的路程較短，火花塞產(chǎn)生的熱能較易散失，不易形成熾熱表面。冷型火花塞的選用，降低了早燃發(fā)生的機率。

5 結(jié)論

文章首先介紹了氫能的理化特性和作為內(nèi)燃機燃料的特點。氫作為內(nèi)燃機的燃料存在異常燃燒問題，針對異常燃燒中的早燃展開討論，對影響氫內(nèi)燃機早燃的因素和控制早燃發(fā)生的措施進行分析。影響氫內(nèi)燃機早燃的因素有許多種，從中選出壓縮比等四種因素進行分析，找出其對早燃的影響。根據(jù)早燃發(fā)生的條件對早燃發(fā)生的控制措施進行分析，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮越档驮缛及l(fā)生的機率。 本文提出的影響因素和控制措施對解決早燃等異常燃燒問題具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 王占宜,趙嵐,張靜.氫氣在發(fā)動機中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2010,(05):55-58.

[2] 王存磊,朱磊,袁銀南,張育華. 氫氣在內(nèi)燃機上的應(yīng)用及特點[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2007,(03):1-3+6.

[3] 楊振中. 氫燃料發(fā)動機燃燒與優(yōu)化控制[D].浙江大學(xué),2001.

[4] 張永鋒,周仁斌,趙江濤,楊杰敏. 氫內(nèi)燃機異常燃燒的研究[J]. 內(nèi)燃機,2011,(04):54-56.

[5] 喬佳偉,王義夫,王繼波,馬少康,喬闖,袁凌峰. 增壓直噴汽油發(fā)動機早燃現(xiàn)象改善的研究[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù),2014,(06):44-47.

Discussion on pre-ignition in Abnormal Combustion of Hydrogen internal combustion Engine

Yuan Kejia
( North China University Of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045 )

With the increase of car ownership, the alternative fuel of the engine has become a hot research topic. Hydrogen due to its own advantages is considered one of the most promising alternative fuels for automotive fuels.The main reasons for the lack of large-scale use is the pre-ignition、backfire and Knock on the cylinder of hydrogen internal combustion engines.To find out the causes and influencing factors of the pre-ignition, and to explore the pre-ignition.

Port injection; hydrogen internal combustion engine; abnormal combustion; pre-ignition

U467.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-162-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.056

袁珂佳，就職于華北水利水電大學(xué)。